新冠肺炎疫情下教書育人的探索與實踐

熊永紅，肖利霞，謝柏林，朱鴻亮，陳佳敏，董錫杰

(1.文華學院 基礎學部，湖北 武漢 430074;2.華中科技大學 物理學院，湖北 武漢 430074;3.武漢科技大學 應用物理系，湖北 武漢 430065)

2020年春節一場突如其來的新冠肺炎疫情洶涌而至，武漢聚焦了全世界的目光，牽動著億萬人民的心. 一場沒有硝煙的戰爭，讓每個人都面臨嚴峻的考驗！科研實力雄厚的武漢高校迅速行動，集中多學科優勢科研力量應急攻關抗疫硬核科技，推動一線防控救治，為科學精準防控提供科學支撐. 武漢大學聯合研究團隊開發的納米孔靶向測序方法，大大提高了核酸檢測結果的精確度；華中科技大學研發的基于人工智能技術的CT影像量化分析系統，使得檢測時間由0.5 h縮短至幾秒；華中科技大學基礎醫學院應用超大規模計算機輔助篩選抗病毒藥物，找到5種可能對新冠病毒有效的抗病毒藥物. 2020年2月29日孫春蘭副總理到華中科技大學考察疫情防控攻關，強調“以科研攻關推動一線防控救治，依靠科學武器戰勝疫情”.

1 觸動心靈的教育才是好的教育

2019年3月18日上午，習總書記在京主持召開學校思想政治理論課教師座談會[1]，指出要堅持理論性和實踐性相統一，用科學理論培養人，重視思政課的實踐性，把思政小課堂同社會大課堂結合起來，教育引導學生立鴻鵠志，做奮斗者. 要堅持統一性和多樣性相統一，落實教學目標、課程設置、教材使用、教學管理等方面的統一要求，又因地制宜、因時制宜、因材施教.

1.1 社會是終身教育的大課堂，災難是人生歷練的大考場

疫情爆發后，華中科技大學、文華學院、武漢紡織大學、海軍工程大學等高校師生爭當疫情防控志愿者，從事社區調查排查、入戶走訪、防控宣傳、生活保障等繁雜瑣事，默默值守在疫情防控第一線，全力保障封城后的武漢穩定有序地運行，在為社會服務的過程中完善自我.

1.2 實事求是，勇于擔當

早在春秋初期管仲說“謀于實，故能權與立，不可敵也”，揭示了實事求是的重要性. 伽利略不畏教廷強權，提倡實證求是精神，把物理現象和規律與數學結合起來，開創了實驗科學新紀元. 竺可楨曾在《科學方法與精神》一文中把求是精神解釋為“只知是非，不顧利害”. 求是精神是一種奮斗與犧牲精神. 憶往昔，一戰時期居里夫人[2-3]擔任法國紅十字會放射部主任，發明了“放射汽車”(裝有X光機和攝影暗室設備)作為流動的X光檢測站，她動員法國婦女聯合會發起捐贈，改裝了19輛“放射汽車”開赴前線，培訓了一批X光技術員，為救治傷員建立了功勛. 看今朝，全國醫療突擊隊逆流而上，相關專業人員快速馳援湖北，在極短時間以中國速度創建了火神山醫院、雷神山醫院和方艙醫院，救治了數萬新冠肺炎患者，有效阻斷了疫情的進一步蔓延.

1.3 拓展空間，勇于實踐

為響應教育部“停課不停教、停課不停學”的號召，高校教師各盡所能，實事求是，結合本校的教學實際情況，統籌制定疫情防控期間教學實施方案. 教師在線上講解物理實驗的基礎知識、方法和技術，用仿真實驗和宅+自主設計實驗作為物理實驗教學的有效補充. 教指委為師生提供豐富的在線物理實驗教學資源，騰訊、超星等互聯網企業開發了信息暢通、使用便捷、功能齊全的線上教學平臺和課堂，眾多高校都給出了有自己特色的“宅+實驗”方案和SPOC+移動端的混合式教學模式，探索出疫情特殊時期線上物理實驗教學的新途徑[4].

1.4 宅家重溫經典，自主設計實驗

1583年，伽利略[5]在比薩教堂里注意到懸燈的擺動，隨后用線懸銅球做實驗，研究了“單擺”的運動規律，發現了等時性原理. 宅+“擺”可就地取材，自由發揮，例如：單擺、扭擺、三線擺、電磁擺、混沌擺，也可用不同方法來研究“擺”. 1609年伽利略聽說荷蘭眼鏡工人發明了觀賞的望遠鏡，他就地取材用風琴管和凸凹透鏡研制成伽利略望遠鏡，經不斷改進后，用來觀察日月星辰，開創了天文觀測學. 學生可以宅+設計簡易的望遠鏡、顯微鏡、分光實驗等. 華中師范大學、海軍工程大學、文華學院等一批湖北高校也給出了符合本校實情的宅家實驗方案.

1.5 突破時空局限，用好仿真資源

華中科技大學生命學院結合疫情教學，在虛擬仿真共享平臺開設新型冠狀病毒核酸檢測虛擬實驗和膜片鉗實驗，從而虛擬實現核酸檢測虛流程：交叉創新3D模擬膜片鉗實驗技術. 文華學院開設虛實融合的物理諾貝爾獎經典實驗，以邁克耳孫干涉、光電效應、黑體輻射、LED特性、塞曼效應等諾貝爾物理學獎得主設計的經典實驗，為學生重溫經典提供學習平臺. 武漢科技大學物理實驗中心實現了基礎物理實驗線上教學，同時結合本校鋼鐵冶金特色，開設了用于鋼鐵檢測的X射線光電子能譜仿真實驗和X射線衍射物相分析實驗. 武漢大學采用先進的虛擬放射源和數字化多道等技術，開發了康普頓散射諾貝爾獎仿真實驗，解決了實驗高危性問題. 華中師范大學物理實驗中心開發了量子密鑰分發虛擬仿真實驗.

2 以科學精神為指引重溫經典，探尋脈絡，開拓創新

著名教育家任鴻雋先生在《科學精神論》中講到，科學精神即是“尋求真理而已”. 科學精神作為科學研究的不竭動力，它表達的是敢于堅持科學思想的勇氣和不斷探求真理的意識，其內涵非常豐富. 實事求是是科學精神的內在表現，懷疑與批判精神、實證與求是精神、寬容與創新精神等是科學精神的外在表現. 縱觀物理學的發展史，科學家設計的經典實驗為我們展示了極其豐富的科學思想內涵，提示了提出問題、分析問題和解決問題的途徑和方法.

2.1 霍爾效應

霍爾效應[6]的發現，蘊涵著諸多科學素養元素：大膽質疑、小心求證、勤于思辨、反復實踐.

霍爾在霍普金斯大學讀研時注意到，麥克斯韋在《電磁學》中寫道：在導線中，電流的本身完全不受磁鐵接近或其他電流的影響. 而愛德朗(瑞典)于1878年發表在《哲學雜志》上的論文《單極感應》中明確指出：磁鐵作用在固態導體中的電流上，恰如作用在自由運動的導體上一樣. 霍爾帶著疑問請教導師羅蘭教授，他在導師的支持下，以此作為研究生課題，通過精心設計實驗和深入研究，最終獲得成功，研究結果于1879年發表在《美國數學學報》[7]. 100多年后馮·克利青發現了量子霍爾效應[8-9]，于1985年獲得諾貝爾物理學獎，隨后崔琦、蘇克林和施特默發現分數量子霍爾效應[10]，于1998年獲得諾貝爾物理學獎. 量子自旋霍爾效應、量子反常霍爾效應和石墨烯中的異常量子霍爾效應等霍爾家族的新成員也相繼問世，張首晟、薛其坤、方忠、曹原等學者在這些方面做出了突出貢獻.

用霍爾效應制作的霍爾元器件被廣泛應用于汽車和日常生活. 學生可以利用霍爾效應的原理和霍爾器件的特性，通過檢測磁場變化，轉變為電信號輸出，測量位置、位移、角度、角速度、轉速等，并可將這些變量進行二次變換測量壓力、質量、液位、流速、流量等. 學生可以借助于智能手機中的磁傳感器進行宅+自主設計性實驗的探究.

2.2 邁克耳孫干涉實驗

邁克耳孫干涉實驗[6]可謂經典實驗的代表，蘊涵實證與求是精神和追求卓越的科學態度.

為了證明以太的存在，邁克耳孫[11]與莫雷合作，反復實驗，不斷提高儀器的靈敏度. 1887年，他們用改進的干涉儀，花了5天時間，仔細地觀察地球沿軌道與靜止以太之間的相對運動，結果仍然是否定的. 最終宣布了以太否定性實驗，為狹義相對論的建立鋪平了道路. 邁克耳孫因在發明精密光學儀器、光譜學和度量學方面所做出的杰出貢獻，榮獲1907年度諾貝爾物理學獎，愛因斯坦贊譽他為“科學界的藝術家”. 根據邁克耳孫干涉儀的原理，科學家設計出了具有超高靈敏度(10-22)的引力波探測器LIGO. 2017年度諾貝爾物理學獎授予Rainer Weiss， Kip S. Thorne和Barry C. Barish，用以表彰他們在引力波研究方面的貢獻[12].

學生可以自主搭建各種類型的干涉儀，或改進廢舊的邁克耳孫干涉儀，用于不同的物理量的測量，例如：微小長度、波長、磁致伸縮、壓電系數、空氣的折射率、透明液體的折射率、透明介質(固體)的折射率、熱膨脹系數、楊氏模量、傅里葉變換光譜等.

2.3 黑體輻射實驗

引發“紫外災難”的黑體(熱)輻射實驗[6,13-14]，蘊涵求實與求是、寬容與創新的科學精神.

熱輻射是19世紀科學家們研究的熱點，以致量子論的嬰兒注定要從這里誕生. 1790年皮克泰提出熱輻射問題，把它從熱傳導中區別開，把熱輻射作為物理學研究的對象. 1800年赫謝耳首次探測到天體的紅外輻射，發現了紅外線. 1850年梅隆尼提出在熱輻射中存在可見光部分. 1859年基爾霍夫從理論上導入了輻射本領、吸收本領和黑體概念. 1861年他進一步指出，在一定溫度下用不透光的壁包圍起來的空腔中的熱輻射等同于黑體的熱輻射. 1879年斯特藩從實驗中總結出了黑體輻射的輻射本領與物體絕對溫度四次方成正比的結論. 1884年玻耳茲曼對上述結論給出了嚴格的理論證明. 1888年韋伯提出了波長與絕對溫度之積為定值. 1893年維恩從理論上進行了證明. 1896年維恩推導出黑體輻射譜的函數形式，該公式與實驗數據比較，在短波區域符合得很好，但在長波部分出現系統偏差. 為表彰維恩在熱輻射研究方面的卓越貢獻，1911年授予他諾貝爾物理學獎[12]. 1900年瑞利從能量按自由度均分定律出發，推出了黑體輻射的能量分布公式，即瑞利-金斯公式，該公式在長波部分與實驗數據較相符，但在短波部分卻出現了無窮值，嚴重背離實驗結果，被稱之為“紫外災難”. 1900年普朗克[15-16]在分析維恩公式和瑞利-金斯公式的基礎上，推出了著名的黑體輻射公式，該公式在全波段都與實驗數據符合得很好！同時普朗克提出“量子”假設：對一定頻率ν的電磁輻射，物體只能以hν為單位吸收或發射. 1905年愛因斯坦[17]用普朗克的量子假設成功地解釋了光電效應. 1913年尼爾斯·玻爾[18]在他的原子結構學說中也使用了這一概念. 因得到愛因斯坦和玻爾的支持，普朗克的能量不連續性概念才被人們廣泛接受. 1918年普朗克因黑體輻射和量子假設榮獲諾貝爾物理學獎，1921年愛因斯坦因光電效應榮獲諾貝爾物理學獎，1922年玻爾因原子結構和原子輻射的研究榮獲諾貝爾物理學獎. 黑體輻射和光電效應等現象引導人們發現了光的波粒二重性，開辟了建立量子力學的途徑.

利用熱輻射原理制作的溫度計，不僅在抗擊非典和新冠病毒疫情防控中大顯神威，而且廣泛用于產品的三維溫度分布檢測，指導產品的設計和優化. 紅外成像技術，不僅可以用于氣象衛星云圖的拍攝、天文觀測、地球紅外拍攝及彗星等天體拍攝，還廣泛用于環境監測和無損檢測. 紅外技術也廣泛應用于刑偵和軍事領域，如紅外制導、紅外夜視裝備系統等.

3 結束語

“學為人師，行為世范”是北師大校訓，也是物理實驗課程思政的核心元素之一. 教師應以身作則，因勢利導講述身邊涌現出的抗擊疫情的感人故事，鼓勵學生戰勝恐懼，積極參與疫情防控，在為社會和人民服務的過程中完善自我. 教師以培養學生成為德才兼備的人為己任，在傳授知識的同時，引導學生重溫經典，閱讀原著，注重科學精神和為人之道的傳授，言傳身教、耳濡目染地影響學生，啟發學生自主思考，以春風化雨、潤物無聲的方式，實現全方位育人.